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2−10 - 日本大学生産工学部

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ISSN 2186-5647
−日本大学生産工学部第47回学術講演会講演概要(2014-12-6)−
2-10
発達障害の改善を目的とした NIRS-NFB システムの開発
日大生産工(院) ○中村 のぞみ 日大生産工 柳澤 一機
日大生産工 綱島 均
1 はじめに
2 NIRSを用いたNFBシステム
近 年 , 近 赤 外 分 光 法 (NIRS : Near-infrared
spectroscopy)などの非侵襲的脳機能計測技術の発
展に伴い,脳活動計測による発達障害・精神疾患
の診断補助に関する研究が注目されている.
NIRSは近赤外光を用いて,脳血流の変化を計
測する装置であり,自然な状態での脳活動計測が
可能である.NIRSを用いた先行研究として,成
田らは発達障害の1つにあたる自閉症スペクトラ
ム(ASD:Autistic Spectrum Disorder)者の課題遂行
時の前頭前野背外側部の活動に注目し,その活動
が健常者の活動パターンとは異なっていること
を報告している1).
また,NIRSを用いたブレイン・コンピュータ・
インターフェース(BCI:Brain Computer Interface)
技術の1つであるニューロフィードバック
(NFB:Neurofeedback)トレーニングが治療への応
用の可能性がある.NFBとは,BCIシステム使用
者自身の現在の脳活動状態を視覚・聴覚刺激など
を用いてフィードバックすることで,トレーニン
グを通じて脳活動を随意制御する技法である.
ASD者の脳活動をNFBトレーニングによって健
常者のような活動パターンに変化させることが
可能になれば,症状を治療できる可能性がある.
NFBトレーニングに関する先行研究として,柳
澤らはNIRS-NFBシステムの開発を行い,このシ
ステムを用いて健常者を対象にNFBトレーニン
グを行った2).その結果,トレーニングによる脳
活動の変化を報告している.しかし,多くのNFB
トレーニングシステムと同様に,脳活動情報の呈
示方法が単純な視覚刺激であるため,システム使
用者のトレーニングに対する意欲を持続できな
い場合があるという問題がある.
特に,発達障害者を対象にするNFBトレーニン
グでは,使用者のトレーニングに対する意欲を持
続させることは非常に重要な要素である.
そこで,本研究では使用者のトレーニングに対
する意欲を維持させることが可能なNIRS-NFBト
レーニングシステムの開発を行う.開発したシス
テムの有効性を検証するためにASD者1名を対象
にNFBトレーニングを行う.
2.1 NIRSの原理
NIRSは,近赤外光を用いて脳血流量の変化を
計測することによって,間接的に脳活動を捉える
非侵襲的計測法である.神経活動が生じる部位で
は,局所的に血流が増加し,血中のヘモグロビン
の濃度が変化する.近赤外分光法は,生体への透
過性が良好な700 -900nmの波長の近赤外光を照
射し,その透過光・拡散光から酸素化ヘモグロビ
ン(oxy-Hb),脱酸素化ヘモグロビン(deoxy-Hb)の
濃度変化を計測することが可能である.しかし,
その計測値は相対量であることからその扱いに
は注意しなければならない.
2.2 従来のNFBシステムとその問題点
NFBにおける脳活動情報の呈示方法は,視覚を用
いたものがほとんどであるが,その呈示方法には
さまざまな方法がある.先行研究として脳活動の
変化をバーの変化3)や,車速度計のようなメータ
に変化4)させるフィードバックシステムがあげら
れる.しかし,これらのNFBシステムは呈示方法
である視覚刺激が単調であるため,使用者がトレ
ーニングに対して怠惰感を覚えてしまい,トレー
ニング意欲の維持に問題があることが指摘され
ている.また,ほとんどのNFBシステムは,マル
チチャンネルNIRSを使用している.マルチチャ
ンネルのNIRSは,fMRIなどと比較すると簡易に
脳活動計測を行うことができるが,装置の装着が
煩雑で長時間にわたる計測は,使用者の負担にな
るという問題点がある.
3 NIRSによる脳活動計測
3.1 機器制御システムの概要
本研究で開発したNIRS-NFBシステムを図1 に示
す.本システムは(i)脳活動計測部,(ii)特徴抽出・
認識部,(iii)機器制御部の3つから構成される.(i)
脳活動計測部にて,NIRSを用いて計測した信号
をリアルタイムに(ii)特徴抽出認識部へと転送し,
ノイズ除去などの解析を行う.その後,(iii)機器
制御部にて脳活動レベルの判定を行い,その判定
に応じて機器を制御することが可能となる.
Development of NIRS-NFB system for improvement of developmental disorder
Nozomi NAKAMURA, Kazuki YANAGISAWA and Hitoshi TSUNASHIMA
― 173 ―
計測・解析用PC
計測装置
Portable
NIRS
制御機器
機器動作をフィードバック
使用者
図1 NIRS-NFBシステム
3.2 脳機能計測部
脳機能計測部では,使用者の脳活動をNIRS 装
置により計測する.計測に用いたNIRS装置は,
株式会社ダイナセンス製,携帯型近赤外組織酸素
モニタ装置Pocket NIRSである.Pocket NIRSは,
計測チャンネルが2chのみと少ない.しかし,測
定 装 置 が 非 常 に 小 型 (W100 × H61 × D18.5mm
100g)で軽量であり,また他の脳機能計測装置や
マルチチャンネルのNIRSと比べ,装着が容易で
ある.そのため,長時間の計測に適しており,使
用者への負担も少ない.
PocketNIRSにより計測したNIRS信号(サンプリ
ング周波数4Hz)は,Bluetoothにてデータ計測・解
析用PCの専用計測ソフトに転送され,仮想ポー
トを利用して作成した特徴抽出・認識部に送られ
る.
3.3 特徴抽出・認識部
NIRS信号は計測装置のノイズ,呼吸による影
響,血圧変動などの脳活動に無関係な変動が含ま
れている.
本研究では,これらのノイズの影響を取り除く
ために,計測したNIRS信号に移動平均を行った.
さらに,計測データの平均値から閾値を
求め,現在の計測値が閾値を超えているか判定し,
その結果を機器制御部に送信する.移動平均点数
と閾値のための平均値を求める区間は任意に設
定できるようにした.
3.4 機器制御部
従来のNFシステムの脳活動情報の呈示方法は,
呈示する視覚刺激が単調であるという問題があ
った.そこで本研究では,脳活動状態に応じて
様々な機器を制御することで,トレーニングに対
するモチベーションを持続することが可能にな
るのではないかと考えた.
機器制御部では,解析アプリケーションから
Arduinoへ判定結果が送信され,判定結果に応じ
て,様々な機器を制御することができる.
1例として,BCIによりスロットカーを制御す
る場合を説明する.まず,使用したスロットカー
(KYOSHO製,Dslot43)は,付属のコースのレール
上に電流を流すことによりスロットカーのモー
タコード部に通電し,モータが駆動する仕組みと
なっている.本研究では,脳活動レベルをこのス
ロットカーの走行速度としてフィードバックし
た.使用者のoxy-Hbが高い値を示すほど脳活動レ
ベルが高いと判定し,走行速度が上昇するよう設
定した.脳活動レベルの判定は,過去の計測値か
ら求めた閾値と現在のoxy-Hbの値の差分を求め,
この差分が大きいほどスロットカーの走行速度
が上昇するように設定した.
Arduinoを使うことで,簡単に様々な機器(おも
ちゃ・ロボット)を制御することが可能であり,
スロットカー以外にも4足歩行ロボットやロボッ
トアームを操作することが可能である.
4 NIRS-NFB検証実験
4.1 ASDの前頭葉機能
成田らは,ASD者における課題間切り替えの苦
手さに注目し,NIRSを用いてタスク切り替えに
伴う前頭葉血流変化を測定した.WM課題とノン
ワーキングメモリ(NWM)課題の2種類の課題を
設定し,脳活動計測を行った結果,健常者とASD
者の課題の正答率は差異がなかった.しかし,健
常者は課題に関連して脳が賦活したが,ASD者は
そのような反応が見られなかったことを報告し
ている1).また,健常者とASD者の脳活動の違い
は前頭前野左背外側部に表れることも報告して
いる.これらの結果から,開発したシステムを用
いたNFトレーニングの前後で,WM課題とNWM
課題の2種類の課題を行っているときの脳活動を
計測し,その結果を比較した.
4.2 NFBトレーニング実験
本研究では,開発したNIRS-NFBシステムを用
いてASD者1名を対象に実験を行った.計測装置
であるPocket-NIRSを前頭前野両外側部の2箇所
に取り付け,左外側部にて計測されたoxy-Hb信号
をフィードバック情報としてスロットカーに転
送し,動作させる.実験デザインは前レスト15
秒,タスク30秒,後レスト15秒を1試行とし,1
回の実験で6試行繰り返した.タスク中は意識を
集中させスロットカーを動かし,レスト中は安静
にするように教示を行った.また,NFBトレーニ
ング前後で一時的な気分や感情を計測できる特
徴 を 持 つ 質 問 紙 で あ る POMS(Profile of Mood
― 174 ―
States)の計測を行った.実験参加者はASD者1名
とし,文教大学の倫理委員会(承認番号:教25-001)
の承認を得て,実験を行った.
4.3 WM課題とNWM課題
本実験で用いたWM課題とNWM課題を図2に
示す.WM課題では,4種類の色と3種類の形の図
形を3秒ごとに連続してコンピュータ画面に刺激
呈示として記憶させ,その後8個の図形を表示し
た画面上から,先に呈示された図形を探索し順番
どおりに指で示すよう教示した.NWM課題では8
個の図形を表示した画面上から同じ画面の上部
枠内に示した図形を配置の順番どおり探索し,指
で示すように教示した.
WM課題は記憶する図形の数を4個,記憶する
図形を呈示する時間が18秒,画面から記憶した図
形を探索し指で示す時間を15秒とした.NWM課
題は15秒とした.WM課題とNWM課題を1セット
とし,これを6回繰り返した.
4.4 実験結果
4.4.1 重み付き分離度による評価
NIRSは他の非侵襲的脳機能計測器と比べ歴史
が浅いため,課題に対する脳活動の有無を判定す
るためにどのような特徴量に注目するべきかの
検討が不十分である.そこで柳澤らは局所脳血流
の変化と相関の高いoxy-Hbと,課題時における負
荷の大きさを示すワークロードとの相関がある
oxy-Hbの微分値に注目し,このoxy-Hbとその微分
値から作成した位相平面上の信号の特徴を定量
的に評価する重み付き分離度 (WS:Weighted
Separability)の開発を行った5).本研究では,この
WSを用いて,作成した位相平面上のWM課題と
NWM 課題それぞれの平均点の分布から課題ご
との脳活動の特徴の違いを評価する.すでに,
ASD者は,このWSが健常者と比較して有意に低
いことが報告されている5).NFBトレーニングに
よってASD者の脳活動が変化すれば,このWSも
変化すると考えられる.
図3にNFBトレーニング前,図4にNFBトレーニ
ング後のWM・NWM課題時のNIRS信号と位相平
面の結果をそれぞれ示す.
図3(a)(b)より, NFBトレーニング前では,NIRS
信号において特にNWM課題時での変動に再現性
がなく,位相平面においても各平均点が広い領域
に分布している.
しかし,図4(a)(b)より,NFBトレーニング後で
は,NIRS信号において再現性が高く信号の特徴
が明確である.また,位相平面上においてはWM
課題時の平均点が第1象限,NWM課題時の平均点
が第3象限を中心にそれぞれ分布していることが
わかる.位相平面の第1象限はoxy-Hb と微分値が
ともに高い領域であり,WM課題で脳が賦活して
いることを示している.
WM task
NWM task
図2 WM課題とNWM課題
反対に第3象限はどちらの値も低い領域であり,
NWM課題時はWM課題時より脳が活動していな
いことを示している.これは健常者と同様の反応
であり,WSについてもNFBトレーニング前が
3.12 であったのに対して,11.3と大きく上昇して
いる.この結果は,NFBトレーニングによって脳
活動が変化した可能性を示している.
4.4.2 気分尺度の評価
図5にNFBトレーニング前後におけるPOMSの
結果を示す.POMSでは「緊張-不安」「抑うつ」
「怒り」「活気」「疲労」「混乱」の6つの気分
尺度を計測できる.今回は総合的な気分状態の指
標となるTMD(Total-Mood-Disturbance)得点を用
いて評価を行った.TMD得点は値が高いほど不
安定な気分状態であるといえる.
図5より,トレーニングの前後でTMD得点が若
干であるが低下していることがわかる.これは,
NFBトレーニングによって気分・感情状態が望ま
しい状態に変化したことを示している.
5 まとめ
本研究では使用者のトレーニングに対するモ
チベーションを維持させることが可能な
NIRS-NFBトレーニングシステムの開発を行った.
開発したシステムの有効性を検証するために,
ASD者1名を対象にNFBトレーニングを行い,ト
レーニングの前後でWM課題・NWM課題時の脳
活動とPOMSの結果を比較した.
その結果,NFBトレーニングによってWM課題
時の脳活動が健常者と同様の活動パターンに変
化することを確認した.また,POMSの結果につ
いてもトレーニングの前後で変化があり,TMD
得点は減少した.これらの結果から開発した発達
障害治療のためのNIRS-NFBシステムがASD者の
治療に利用できる可能性を示した.
今後は,実験参加者数を増やし,システムの有
効性の検証を行う予定である.
― 175 ―
oxy-Hb[a.u.]
NWM
WM
NWM
WM
NWM
WM
NWM
0.04
0.01
0.02
0.005
0
0
-0.02
-0.005
-0.04
-0.01
-0.06
-0.015
-0.08
-0.02
0
30
60
90
120
150
x
1.5
0.015
d(oxy-Hb)/dt[a.u./s]
WM
0.06
WM
d(oxy-Hb)/dt
d(oxy-Hb)/dt [a.u./s]
oxy-Hb
NWM
10-3
1
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
-0.02 -0.01
0
0.01 0.02
oxy-Hb[a.u.]
Weighted Separability : 3.12
180
(a) NIRS信号
(b) 位相平面
図3 NFBトレーニング前の脳活動
NWM
WM
NWM
WM
NWM
WM
WM
NWM
oxy-Hb[a.u.]
0.04
0.02
0
-0.02
-0.04
-0.06
-0.08
0
30
60
90
120
150
0.005
0.004
0.003
0.002
0.001
0
-0.001
-0.002
-0.003
-0.004
-0.005
1.5
d(oxy-Hb)/dt[a.u./s]
WM
0.06
d(oxy-Hb)/dt
d(oxy-Hb)/dt [a.u./s]
oxy-Hb
180
Time(s)
(a) NIRS信号
NWM
x 10-3
1
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
-0.02 -0.01
0
0.01 0.02
oxy-Hb[a.u.]
Weighted Separability : 11.3
(b) 位相平面
図4 NFBトレーニング後の脳活動
switching stimuli in autism spectrum disorders”,
Journal of Pediatric Neurology, Vol.10, No.2,
(2012) p.87-94.
2) 柳澤一機,綱島均,NIRS信号の特徴平面
による評価手法の提案,第4回NU-Brainシン
ポジウム,(2014) p.3.
3) 加納慎一郎,非侵襲計測によるBCI:ユー
ザ に 働 き か け る BCI を 目 指 し て , 第 2 回
NU-Brainシンポジウム,(2011) p.25-39.
4) 福長一義,大貫雅也 他,NIRSを用いた
ニューロフィードバックシステムの開発,杏
林医学会雑誌,Vol.42,No.1,(2011) p.2-11.
5) 柳澤一機,綱島均,中村のぞみ,成田奈
緒子,酒谷薫,NIRS信号による発達障害の
診断補助指標の開発,第16回光脳機能イメー
ジング学会,(2014).
TMD score
5
0
-5
-10
-15
Before
NFB training
After
NFB training
図5 POMSの結果
「参考文献」
1) Naoko Narita, Akiyuki Saotome et al.,
“Impaired prefrontal cortical response by
― 176 ―
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